Gan công nghệ là một công cụ thực sự cho các giai đoạn quyền lực, ngày nay cung cấp hiệu suất không thể tưởng tượng được trong thập kỷ trước. Hiệu suất tối đa và lợi ích từ GaN chỉ đạt được khi trình điều khiển cổng phù hợp với cùng mức hiệu suất và sự đổi mới như các bóng bán dẫn. Sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển, MinDCet đã vượt qua những cạm bẫy trong lái xe cổng GaN bằng cách giới thiệu trình điều khiển cổng MDC901.
Giới thiệu
Kể từ khi bóng bán dẫn Gali nitride (GaN) đầu tiên ra đời cách đây hơn mười năm, lợi thế của chúng trong điện tử công suất đã trở nên nổi tiếng. Thật vậy, các đặc tính vật liệu của GaN cung cấp điện dung ký sinh thấp hơn cho điện trở nhất định, quá độ chuyển mạch nhanh vốn có, thiếu khả năng phục hồi ngược và hoạt động ở nhiệt độ cao. Những đặc tính tuyệt vời này dường như là sự kết hợp hoàn hảo cho các bộ chuyển đổi công suất hiệu suất cao.
Tuy nhiên, hai khía cạnh quan trọng phải được xem xét để đạt được tiềm năng hoạt động của GaN. Thứ nhất, người ta thường quan niệm rằng khả năng chuyển mạch nhanh chóng của GaN sẽ trực tiếp dẫn đến tần số chuyển mạch cao hơn đáng kể và kết quả là hiệu suất cao hơn. Khi GaN được chuyển mạch ở tốc độ tối ưu, nó sẽ thực sự cho thấy tổn thất chuyển mạch thấp hơn so với MOSFE công nghệ, với một tần số nhất định. Lý do chính khiến tổn hao chuyển mạch GaN tương đối thấp hơn là do thời gian chuyển mạch giảm đi, thời gian mà Vôn và dòng điện hiện diện đồng thời qua và qua công tắc. Tổn thất Joule gây ra bởi tổn thất chuyển mạch này tăng tuyến tính theo tần số. Cuối cùng, khi vận hành GaN ở tần số chuyển mạch ngày càng cao, hiệu suất GaN thu được có thể trở nên bằng hoặc có khả năng thấp hơn mosfet-bộ chuyển đổi dựa trên cơ sở. Mặc dù có lợi ích về hiệu suất giảm dần của GaN ở tần số chuyển mạch cao hơn, các bộ chuyển đổi dựa trên GaN cũng được hưởng lợi từ việc sử dụng các đường truyền lưu trữ nhỏ hơn, tương đương với mật độ công suất cao hơn.
Hình 1: Hiệu suất đo được dưới dạng hàm của dòng điện đầu ra cho bộ chuyển đổi buck dựa trên GaN 48V sang 3.3V, ở các tần số chuyển mạch khác nhau.
Hiệu ứng này được thể hiện với bộ chuyển đổi buck bước xuống 48V sang 3.3V, được xây dựng xung quanh trình điều khiển cổng MinDCet MDC901, nửa cầu GaN Systems GS61008P và nguồn WE-HCF 1.4uH / 31.5A Cuộn cảm, như được mô tả trong Hình 5. Chu kỳ làm việc của bộ chuyển đổi thấp được hưởng lợi từ tốc độ chuyển đổi nhanh chóng, dẫn đến tăng hiệu suất từ 10 đến 15 phần trăm so với mức tương đương. MOSFEbộ chuyển đổi dựa trên cùng tần số chuyển mạch. Phép đo bộ chuyển đổi Buck trong Hình 1 minh họa rằng mặc dù có khả năng của GaN nhưng hiệu suất chuyển đổi vẫn giảm khi tần số chuyển đổi tăng. Đã ở tần số chuyển mạch vừa phải là 300 kHz, có thể quan sát thấy sự giảm rõ rệt hiệu suất gần 1% trên 100 kHz bổ sung trong tần số chuyển mạch trên các tần số đo được từ 300 đến 700 kHz.
Đối với bộ chuyển đổi buck 48V sang 12V, sự cân bằng này sẽ thay đổi. Xem xét Hình 2, hiệu quả của bộ chuyển đổi GaN được hưởng lợi từ tần số chuyển mạch cao hơn ở tải thấp đến trung bình (lên đến khoảng 10A) trong dải tần 300 đến 700 kHz. Cần lưu ý rằng cuộn cảm được chọn có ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ chuyển đổi. Cần phải cẩn thận trong việc thực hiện các đánh đổi phù hợp trong thiết kế bộ chuyển đổi dựa trên GaN.
Hình 2: Hiệu suất đo được dưới dạng hàm của dòng điện đầu ra cho bộ chuyển đổi buck dựa trên GaN 48V sang 12V, ở các tần số chuyển mạch khác nhau.
Thứ hai, để kích hoạt các lợi ích nội tại thực sự của GaN, cần phải chuyển đổi ở tốc độ thoáng qua cao. Có thể có giá trị từ 10V / ns đến 100V / ns và hơn thế nữa. Thành phần chính chịu trách nhiệm về tốc độ nhất thời là trình điều khiển cổng. Đương nhiên, thiết kế mạch thích hợp, cụ thể là định tuyến nguồn, định tuyến vòng cổng và tách rời, cần được thực hiện để cho phép trình điều khiển cổng và GaN thực hiện công việc của chúng một cách tối ưu. Nói chung, một trình điều khiển cổng MOSFET tiêu chuẩn có thể trong một số trường hợp duy nhất có thể điều khiển GaN, nhưng sẽ không đạt được hiệu suất tối ưu. Do đó, lợi ích của việc sử dụng GaN bị mất đi một phần. Bộ điều khiển cổng chuyển đổi GaN ở tốc độ thoáng qua cao phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể đồng thời chịu các ứng suất đáng kể. Những yêu cầu nghiêm ngặt này chỉ có thể được đáp ứng bởi một trình điều khiển cổng được phát triển cẩn thận để làm việc với GaN.
Cạm bẫy cho GaN Gate-Driving
Bóng bán dẫn GaN trong các ứng dụng điện có rất nhiều tiềm năng: hiệu suất điện năng cao hơn, mật độ điện năng cao hơn, thiết kế tản nhiệt / ít quạt tiềm năng, ... Tuy nhiên, để đạt được lợi ích tối đa từ giai đoạn GaN đòi hỏi phải lái xe cẩn thận, tránh những cạm bẫy trên đường.
Tỷ lệ quay vòng cao
Việc điều khiển các bóng bán dẫn GaN là rất mơ hồ. Các thiết bị này được chọn vì tốc độ xoay điện áp vốn có của chúng lớn (vượt quá 100V / ns), dẫn đến tổn thất chuyển mạch rất thấp (tổn thất phát sinh khi Vds và Ids không bằng XNUMX). Việc chuyển đổi nhanh chóng giữa các bóng bán dẫn cạnh thấp và cao làm cho dòng tải thay thế rất nhanh giữa tải và điện áp đầu vào (ví dụ: các ứng dụng bộ chuyển đổi buck). Điều này đặt ra những hạn chế khó khăn đối với việc tách điện áp bus, như pcb các đường dẫn đến nửa cầu gây ra hiện tượng vọt lố, được xác định cao bởi độ tự cảm của vòng bus. Ngoài ra, tốc độ quay vòng cao đưa dòng điện cực đại lớn vào đường dẫn động cổng thông qua điện dung nguồn thoát của bóng bán dẫn ngoài trạng thái.
Bật ký sinh trùng
Trong cấu hình bán cầu, hiện tượng bật ký sinh có thể xảy ra đối với bóng bán dẫn bị tắt, khi điện áp nguồn thoát của nó đột ngột tăng lên đến điện áp bus, hoặc chủ động bởi bóng bán dẫn đối nghịch hoặc cảm ứng thông qua dòng tải. Dòng điện này sẽ được chuyển đổi thành điện áp cổng khác XNUMX cả bởi trở kháng kéo xuống của trình điều khiển cổng và điện cảm vòng lặp nguồn cổng. Nếu điện áp này cao hơn điện áp ngưỡng, dòng điện chéo sẽ xảy ra giữa các công tắc phía cao và phía thấp của nửa cầu. Điện cảm vòng cổng thấp chỉ có thể có trong sự đồng tích hợp nguyên khối của công suất và trình điều khiển cổng, trong đó rất mong muốn có một đường kéo xuống và kéo lên riêng biệt cho mỗi bóng bán dẫn GaN. Thời gian chết Thời gian chết trong nửa cầu là thời gian giữa sự kiện tắt của một bóng bán dẫn và sự kiện bật của bóng bán dẫn cầu bổ sung. Kiểm soát chi tiết thời gian chết là điều cần thiết. Thời gian chết quá ngắn sẽ gây ra tổn thất vượt mức do điện dung của nguồn xả GaN được xả ra bởi GaN bổ sung. Việc chuyển đổi điện áp bằng không xảy ra ở thời gian chết lớn hơn, cho phép điện dung của nguồn xả được xả bởi cuộn cảm (trong bộ chuyển đổi buck). Do đó, năng lượng này không bị tiêu tán. Thời gian chết quá lâu sẽ dẫn đến tổn thất lớn hơn vì sự dẫn ngược của GaN với Vg bằng không có thể làm giảm điện áp lớn hơn (khoảng vài vôn) so với điốt. Thời gian chết cố định dẫn đến hiệu quả dưới mức tối ưu và phải được điều chỉnh đến thời gian chết thích hợp để giảm thiểu tổn thất, điều này phụ thuộc nhiều vào ứng dụng.
Nạp quá cổng
Trong các ứng dụng truyền động cổng không cách ly, trình điều khiển cổng thường được cung cấp thông qua việc khởi động nguồn điện áp thấp. Kỹ thuật này sẽ tính phí cho việc tách nguồn cung cấp trình điều khiển cổng phía cao tụ thông qua một diode điện áp cao nhanh. Điều này tạo ra một điện áp nổi được sử dụng để cung cấp cho tất cả các mạch điện nổi được sử dụng để điều khiển bộ điều khiển phía cao. Như đã giải thích trước đây, thời gian chết khác 0 sẽ làm cho điện áp nguồn tiêu hao của bóng bán dẫn GaN phía thấp – tùy thuộc vào hướng cường độ dòng điện của tải – xuống dưới 0. Điều này thực sự khiến tụ điện khởi động được sạc vượt quá nguồn cung cấp đầu vào. Cổng GaN nổi tiếng là nhạy cảm với quá điện áp cổng, do đó cổng cần được bảo vệ chống sạc quá mức để đảm bảo độ tin cậy của bộ chuyển đổi. Trong thực tế, điều này được giảm thiểu thông qua việc sử dụng các cấu trúc kẹp, với chi phí tiêu thụ điện năng của bộ điều khiển cổng tăng lên và diện tích PCB bị hạn chế bởi tính chất ký sinh của PCB.
Hoạt động điện áp đầu ra âm
Biến động âm của điện áp trình điều khiển đầu ra phụ thuộc vào độ tự cảm của nguồn ký sinh và điều kiện tải của bộ chuyển đổi điện, có thể được dự đoán không tốt. Để vận hành có thể dự đoán được, cần phải đảm bảo rằng cầu bộ chuyển đổi luôn có thể được kiểm soát, ngay cả khi điện áp âm so với nguồn cung cấp. Trong bộ chuyển đổi mức được ghép nối một chiều, phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa đặc biệt để cho phép hoạt động bên dưới mặt đất cung cấp.
Hoạt động chu kỳ nhiệm vụ cao
Hoạt động khởi động của trình điều khiển cổng là một phương tiện đơn giản và hiệu quả để cung cấp điện tích để điều khiển bóng bán dẫn phía cao, ví dụ, trong một nửa cầu. Không thể tránh khỏi, có sự rò rỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và sự sai lệch đối với mạch hỗ trợ cần thiết trong hệ thống preriver - điều này khiến điện áp bootstrap bị rò rỉ. Nếu điện áp của bootstrap giảm xuống dưới một điện áp tối thiểu nhất định (thường được theo dõi thông qua mạch phát hiện điện áp dưới trên bo mạch), mạch preriver có thể hoạt động sai và trong trường hợp xấu nhất là gây bất lợi cho bộ chuyển đổi. Đối với ứng dụng bộ chuyển đổi nguồn và điện dung bootstrap nhất định, điều này đặt mức tối đa trên chu kỳ làm việc có thể được duy trì hoặc giới hạn độ sâu điều chế có thể được sử dụng.
Câu trả lời MinDCet: MDC901 Cao cấp, mật độ năng lượng cao và các ứng dụng chuyển đổi nhanh chóng yêu cầu năng lượng GaN - nơi cần có một trình điều khiển cụ thể để đảm bảo lái xe đáng tin cậy và bảo vệ giai đoạn GaN có giá trị.
Để giải quyết các cạm bẫy được mô tả trước đây và cung cấp nhu cầu GaN hiệu suất, MinDCet đã giới thiệu trình điều khiển cổng GaN MDC901. Sơ đồ khối được mô tả trong Hình 4 cung cấp tổng quan về chức năng chính, giải quyết các cạm bẫy chính được mô tả trong các phần trước.
Các đường kéo lên và kéo xuống riêng biệt cho phép điều chỉnh tốc độ turnon và do đó là tốc độ quay của giai đoạn đầu ra trong khi vẫn duy trì đường kéo xuống trở kháng thấp cho bóng bán dẫn GaN. Điều này giữ cho điện áp nguồn cổng được kiểm soát ở trạng thái tắt tránh bật ký sinh, ngay cả dưới dòng điện dung cổng cống cao.
Thời gian tắt để bật và tắt có thể được đặt thông qua một loạt các đầu vào kỹ thuật số. Điều này cho phép điều chỉnh tĩnh thời gian chết cho một ứng dụng nhất định hoặc kết hợp với bộ điều khiển, điều này có thể được thực hiện động để đạt hiệu quả tối ưu. Ngoài ra, thời gian chết có thể được đặt ở chế độ tự động. Một vòng kín cảm nhận điện áp cổng GaN và cổng chỉ được bật khi cổng GaN bổ sung tắt. Đây là một chế độ hoạt động không an toàn.
Nguy cơ sạc quá cổng trong quá trình vận hành điện áp âm được giải quyết bằng cách đặt các bộ điều chỉnh nổi hoàn toàn ở cả miền phía cao và phía thấp sau diode bootstrap. Điều này dẫn đến điện áp trình điều khiển cổng được xác định rõ ràng và được bảo vệ mạnh mẽ.
Hình 4: Sơ đồ khối của trình điều khiển cổng GaN MDC901.
Hình 5: Bảng đánh giá nửa cầu MDC901 100V.
Hoạt động điện áp đầu ra âm được đảm bảo xuống -4V, cho phép điều khiển cổng chính xác ngay cả dưới dòng điện cảm ứng cao. Điều này đã được đáp ứng bởi một bộ dịch chuyển mức được thiết kế đặc biệt và thế hệ cung cấp nổi.
Đối với các ứng dụng chu kỳ công suất cao (ví dụ: trình điều khiển động cơ và bộ khuếch đại class-D), bắt buộc phải duy trì trạng thái bật bên cao trong thời gian dài hơn. Chức năng này được thực hiện bởi một máy bơm tích hợp, bù cho sai lệch DC trong điều kiện chu kỳ làm việc 100%.
MDC901 cung cấp giải pháp cao cấp và giàu tính năng để điều khiển bóng bán dẫn GaN một cách đáng tin cậy nhằm tối đa hóa hiệu suất trong ứng dụng nhất định. Trình điều khiển được phát triển cho các giải pháp DC-DC, nhưng có thể được sử dụng cho tất cả các ứng dụng lái xe GaN khác như LIDAR, trình điều khiển động cơ và điện tử cầu chì các ứng dụng yêu cầu khả năng 200V thực sự. Để cho phép thiết kế trình điều khiển cổng MDC901 dễ dàng và nhanh chóng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bảng đánh giá nửa cầu 100V trong cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi buck, như được hiển thị trong Hình 5, đã được phát triển để hỗ trợ các nhà thiết kế điện tử công suất.
Kết luận
Việc kích hoạt những lợi ích thực sự của các giai đoạn nguồn GaN đòi hỏi phải triển khai một trình điều khiển cổng được tối ưu hóa được thiết kế đặc biệt để hoạt động với các bóng bán dẫn GaN. Kết quả là, GaN có thể được đẩy đến giới hạn, mang lại hiệu suất cao nhất có thể, mang lại lợi tức tối đa cho khoản đầu tư công nghệ và tiền tệ. Trình điều khiển cổng rời như MDC901 cung cấp cho người dùng sự linh hoạt, khả năng chẩn đoán và bộ tính năng mở rộng để chọn bóng bán dẫn GaN phù hợp nhất cho ứng dụng nhất định.